F150浮頭式換熱器的設計含10張CAD圖,f150,頭式,換熱器,設計,10,cad F150浮頭式換熱器的設計 摘 要 換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設備，對不同工作介質(zhì)中的換熱器性能有不同的要求，是可以在冷熱流體之間傳輸熱量的設備。此次設計了雙管程單殼程浮頭式換熱器。浮頭換熱器的一邊是固定格柵，另一邊是浮頭。因此，益處是熱應力相對較小，易于查驗和清洗。缺點是結(jié)構更加復雜。 本次設計的主要設計參數(shù)為：管程設計壓力為1.65Map，殼程為1.55Mpa；管程設計溫度為420℃，殼程設計溫度為90℃；管程介質(zhì)是煙道氣，殼程介質(zhì)是水；管程腐蝕余量自定，殼程換熱面積為150㎡。關于核實計算，采用了傳統(tǒng)的工藝計算和強度計算。傳統(tǒng)的換熱工藝計算主要包括傳熱面積、傳熱系數(shù)的確定、管程降壓、殼程壓降、流體性質(zhì)和壓強校核等問題。強度計算的重點是管體、管箱、管頭、驗收、支撐、隔板和板厚計算、其他部位的設計和管法蘭、墊片、安設、裝配，以及一定程度的強度檢查。本設計主要按GB 151《管殼式換熱器》和GB 150《壓力容器》設計。換熱器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其它領域，當然，在日常生活和現(xiàn)實中，熱交換設備是非常普遍的，是不能缺少的工業(yè)設備之一。隨著科學的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)應用也取得了顯著成果。 關鍵詞: 換熱器；結(jié)構設計；熱力計算；強度校核； 應用范圍 V ABSTRACT Heat exchangers are commonly used equipment in industrial production. They have different requirements for the performance of heat exchangers in different working media. They are devices that can transfer heat between hot and cold fluids. This paper designs a floating head heat exchanger with double tube and single shell. The fixed grille is on one side of the floating head heat exchanger and the floating head is on the other side. Therefore, the thermal stress benefit is relatively small and easy to inspect and clean. The downside is that the structure is more complex. The main design parameters of this design are as follows: the design pressure of the tube is 1.65Map, and the shell is 1.55Mpa. The shell side of the tube side design temperature is 420 ℃, design temperature is 90 ℃; Pipe medium is flue gas, shell medium is water; The shell side of the tube side corrosion allowance since, so the heat exchange area of 150 ㎡. For verification calculation, traditional process calculation and strength calculation are adopted. The traditional calculation of heat transfer process mainly includes heat transfer area, determination of heat transfer coefficient, pipe pressure reduction, shell pressure drop, fluid properties and pressure check and other issues. Strength calculation focuses on pipe body, pipe box, pipe head, acceptance, support, diaphragm and plate thickness calculation, other parts of the design and pipe flange, gasket, installation, assembly, and a certain degree of strength inspection. This design is mainly designed according to GB 151 shell and tube heat exchanger and GB 150 pressure vessel. Heat exchanger is widely used in industry, agriculture and other fields, of course, in daily life and reality, heat exchange equipment is very common, is one of the indispensable industrial equipment. With the continuous development of science industrial application has also achieved remarkable results. Key words: heat exchanger; Structure design; heat calculation； Strength check； Application range  目 錄 1緒論 1 1.1浮頭式換熱器簡介 1 1.2 浮頭式換熱器原理 1 1.3 浮頭式換熱器優(yōu)缺點 1 1.4換熱器的應用 1 2結(jié)構設計 3 2.1 換熱流程設計 3 2.2 管子和傳熱面積 3 2.3 管子排列方式 3 2.4 殼體 4 2.5 管箱 4 2.6 固定管板 5 2.7 分程隔板 5 2.8 折流板 6 2.9 拉桿 7 2.10進出口管 8 2.11浮頭箱 9 2.12 浮頭 9 2.13 補強圈 10 2.14 法蘭 10 2.15 支座 12 3強度校核 14 3.1管箱封頭的校核 14 3.2管箱筒體的校核 15 3.3殼程圓筒的校核 16 3.4管箱法蘭的校核 17 3.5筒體法蘭的校核 18 3.6管箱螺栓間距的校核 19 3.7筒體螺栓間距的校核 20 3.8總體強度校核方法 21 4加工工藝 22 4.1簡體 22 4.2封頭和管箱 22 4.3管子 23 4.4管板 23 4.5折流板 23 4.6膨脹節(jié) 23 4.7管束的組裝 24 4.8管子與管板的連接 24 4.9焊后熱處理 24 4.10設備組裝 24 5換熱器的安全防腐 25 5.1換熱器的腐蝕 25 5.2換熱器的防腐 25 5.3換熱器的清洗 26 5.4換熱器的防垢處理 27 參考文獻 29 致謝 30 1.緒論 1.1浮頭式換熱器簡介 浮頭式換熱器屬于管殼式換熱器中的一種。管殼式換熱器因為其結(jié)構穩(wěn)定，技術性能好，應用范圍廣，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點，且管殼式換熱器還具有比較好的經(jīng)濟性，所以在許多領域中，應用非常廣泛。而浮頭式換熱器正是其主要代表[1]。因此在許多國家中，浮頭式換熱器的研究被高度重視，浮頭式換熱器作為傳熱設備在工業(yè)生產(chǎn)中深受人們喜愛。 1.2 浮頭式換熱器原理 浮頭式換熱器的兩端是管板，一端管板連接殼體被固定，而另一端不連接殼體，可以自由的在殼體內(nèi)浮動，稱之為浮頭。浮頭可以設計成可拆卸的，殼體和管程對熱膨脹是自由的，因此當兩個介質(zhì)的溫度相差較大時，管程和殼體之間可以消除溫差應力。浮頭可以設計成可拆卸的，使他可以自由的插入或取出殼體，這樣可以使清潔和維修變得更加簡便[2]。 1.3 浮頭式換熱器優(yōu)缺點 1.3.1浮頭式換熱器優(yōu)點 （1）管程和殼程的清潔方便； （2）兩個介質(zhì)的溫度相差不受影響； （3）在高溫和高壓的條件下也能正常工作； （4）在結(jié)垢比較嚴重的地方也能正常工作； （5）在管程容易腐蝕的地方也能正常工作； 1.3.2 浮頭式換熱器缺點 （1）浮頭端容易發(fā)生流漏 （2）對于金屬材料的消耗比較大，成本高大約20% （3）結(jié)構框架更加復雜 1.4換熱器的應用 換熱器是一種工業(yè)設備，在工業(yè)熱交換過程中無法替代。它被廣泛應用于許多行業(yè)，如動力、化學、冶金、輕工業(yè)等。同時他也是空調(diào)和供熱中不可缺少的一部分。隨著科學技術的不斷發(fā)展，以及資源節(jié)約和新能源開發(fā)的緊迫性，在近幾年開發(fā)出了一系列新型的換熱器，如可拆卸式、全焊板式、淺密波紋型、非對稱型等。近幾年來換熱器使用增加，需求增加，生產(chǎn)增加。 換熱器在許多方面都被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。例如，冷凍食品行業(yè)，蒸汽機里有蒸發(fā)器和電容器。例如糖和紙的生產(chǎn)。糖水蒸發(fā)器和紙板蒸發(fā)器都有變熱，在化學工業(yè)和石油化學工業(yè)的生產(chǎn)過程中，使用換熱器的應用范圍更加廣泛。在航空航天工業(yè)中，換熱器也是發(fā)動機和輔助發(fā)動機及時放出熱量的一部分。使用變換器的其他領域也很多。為了在各個生產(chǎn)領域充分利用能源、節(jié)約能源、減少排放潛力，我們必須組織熱交換機過程，利用和加工熱量。 世界上煤炭、石油和天然氣供應有限，因此各國面臨著嚴重的能源短缺問題，并正在努力開發(fā)新的能源。因此，熱交換和能源發(fā)展(太陽能、地熱能、海洋能源)與經(jīng)濟密切相關。因此，換熱器被用于電力、煉金術、化學工程、力學、力學、食品工業(yè)等等。這樣，我們就能找到更多的方法來使用浮頭式換熱器，使浮頭式換熱器更有效的工作。 2 2.結(jié)構設計 2.1 換熱流程設計 采用1殼程2管程的1-2型換熱器。由于換熱器的尺寸較小，所以用一臺，不考慮多臺組合使用。管程分程采用橫向隔板結(jié)構，主要優(yōu)點是布管密切。殼體分程采用縱向隔板結(jié)構[9]，主要優(yōu)點是布管密切。 2.2 管子和傳熱面積 除了熱交換管需要足夠的強度外，用膨脹管固定時，為了避免膨脹引起的龜裂，管需要良好的塑性。焊接和固定時，管道要求良好的焊接性，為了保證管道的質(zhì)量，一般采用優(yōu)質(zhì)碳鋼，一般對于不具有腐蝕性或腐蝕性不大的流體，可采用10號和20號鋼管。對于高腐蝕性流體，可采用不銹鋼（189）[10]、鋼、鋁等無縫管，在強腐蝕性流體的情況下，可采用石墨管、聚四氟乙烯管等。由于水、油的腐蝕性少，所以可以采用碳鋼，現(xiàn)在選定了20號鋼的無縫鋼管。 根據(jù)設計要求采用的無縫鋼管 管子總數(shù)為330根。其傳熱面積為： 2.3 管子排列方式 管子在管板上的排列方式，必須考慮均勻、緊湊、清潔和整體結(jié)構的要求?；镜呐帕蟹绞接腥N[11]： （1）正三角形排列：該排列十分緊密，管外的流體湍流程度高； （2）正方形排列：給熱效果不好，但容易清洗； （3）正方形錯列：可以一定量的提高給熱系數(shù)。 圖1 各種排列方式 多管路換熱器常采用組合排列法[ 11 ]，各行程為正三角形排列，各等級間為正方形排列，隔板配置容易。 綜合比較以上幾種布管方式，可采用組合排列形式，中間正方形，其余三角形。布管位置如圖1示。在十字型的走廊設置隔板，有殼流體的泄漏和旁路的問題，共計有330個管孔，其中6個是為了安裝拉桿。 2.4 殼體 殼體材料除了必須滿足一定的強度外，由于在制造過程中經(jīng)過搭接、沖壓和焊接，材料還需要一定的可塑性和焊接性，一般采用含碳量較低的、等，現(xiàn)選用鋼[12]。 殼體內(nèi)徑Ds=700mm 殼體壁厚： （1） 為殼體工作溫度下的許用應力，已知殼程設計溫度為90℃，則tw<220℃。根據(jù)碳鋼板許用應力，表查得=167 為焊縫系數(shù)[13]，取=0.85 ，p1為工作壓力，等于1.6MPa c=2mm 則 實取，之后要用有限元分析軟件solidworks進行強度校核。 2.5 管箱 2.5.1 封頭 根據(jù)壓力容器設計規(guī)范采用材質(zhì)為16MnR的標準橢圓封頭，在滿足強度要求的情況下，其壁厚可用以下公式計算： （2） 已知管程設計溫度為200℃，則tw<200℃。根據(jù)碳鋼板許用應力，表查得=170MP p=1.2p1=1.2×1.6 則 實取，之后用solidworks進行強度校核。 曲面高度： （3） D——封頭的平均直徑 直邊高度 2.5.2 箱殼 壁厚： 實取，之后要用solidworks進行強度校核。 內(nèi)徑： 長度： 2.6 固定管板 外徑： 板厚： 管板上開孔數(shù)與孔間距與管的排列一致。管板材料選用A3鋼。 管子與管板的連接應牢固、不泄漏，無大的應力變形，最常見的連接方法為補償連接，只能用于溫度低于300℃和工作壓力低于4MPa的場合；在高溫、高壓、易燃燒、易爆炸的運轉(zhuǎn)條件下大多采用焊接方式，但采用焊接方式時容易產(chǎn)生熱應力，流體不在間隙中流動時間隙容易腐蝕，采用脹流焊接的方法可以避免。 由于工作壓力和溫度都不是特別高，管的間隔也很大，管板和管的連接采用膨脹接合，換熱管在管板內(nèi)的脹接長度L=38mm。 2.7 分程隔板 2.7.1 管程分程隔板 管箱的分路是在固定端管箱和浮頭端管箱內(nèi)安裝分路隔板，兩端管箱不長，在清洗時可以不拆下，所以可以將隔板直接焊接在箱內(nèi)。 管程隔板應考慮密封問題，在固定格柵和浮柵的槽中安裝密封填料，以密封。為了保證填充物能夠起到密封作用，隔板長度必須按規(guī)定尺寸計算。具體尺寸見三維實體圖。 2.7.2 殼程分程隔板 殼體段隔板的安裝考慮到密封的問題，另外一方面，由于容易拆卸，因此隔板的安裝采用圖2所示的裝置，在使凸輪偏心桿手柄旋轉(zhuǎn)時，凸輪推力會導致與其連接的端部包裝上帶有密封填料的板也能松開兩端，便于拆卸。對于浮頭管束，必須拆下?lián)醢濉? 因此，此裝置是必須要用的。 圖2 殼體分程隔板 2.8 折流板 采用弧形擋板，材料采用a3f鋼板，由于內(nèi)殼空間，各行程采用圖3所示的半弓，配置方式為垂直截面的流動方向。 圖3 折流板 按一個殼程計算得： 拱高： 板間距： 板數(shù)： 板厚： 由于實際安裝時，殼體接管位于第一個擋板位置的影響，一個殼程內(nèi)實際折流板數(shù)應為32個，折流板總數(shù)應為64個。 2.9 拉桿 常用的拉桿的形式有兩種： 拉桿定距管結(jié)構，換熱管的外徑大于18mm的管束，； 拉桿和折流板之間采取點焊結(jié)構，適用于換熱管的外徑≤13mm的管束，； 當管板比較薄時，應該換不同的連結(jié)結(jié)構。由于此時的換熱管外徑為24mm，因此選拉桿定距管結(jié)構。 其尺寸如圖4所示： 圖4 拉桿具體尺寸 拉桿的參數(shù)如表1所示： 表1 拉桿的參數(shù) 拉桿直徑d 拉桿螺紋公稱直徑dn Ｌa Ｌb b 拉桿的數(shù)量 16 16 20 60 2 4 拉桿的長度應該按照所需要的條件來確定。 拉桿要盡可能均勻的放置在管束的外端口部分。對比較大直徑的換熱器來說，把合適數(shù)量的拉桿放在擋板槽內(nèi)。或者擋板槽口附近，任何擋板需要不少于3個支撐點。 2.10 進出口管 2.10.1 管程進出管 按取 則 進出口流通截面積為： （4） 進出口管內(nèi)徑為： （5） 取用的熱扎鋼管 2.10.2 殼程進出口管 按取 則 進出口流通截面積為： （6） 進出口管內(nèi)徑為： （7） 取用的熱扎鋼管 2.11 浮頭箱 外頭蓋內(nèi)直徑： （8） 外頭蓋也采取標準的16MnR材質(zhì)的橢圓形封頭，δ=12mm 曲面高度： （9） 直邊高度 2.12 浮頭 圖5為浮頭端的組裝圖，包括埋頭蓋、鋼輪法蘭和浮管板，浮管板與管膨脹接合后，從殼體的一端延伸到另一端，因此管板的外徑必須小于殼體的內(nèi)徑。 其主要尺寸如下所述： 圖5 浮頭結(jié)構 浮動管板外直徑： 浮動管板厚： 浮頭法蘭外徑： （10） 浮頭法蘭內(nèi)直徑： mm （11） 碟形蓋內(nèi)半徑： （12） 厚度：取15mm 2.13 補強圈 在實際設計和計算厚度超過12mm時，Dg>80mm接管就必須加開孔補強， 當殼體名義厚度小于或等于12mm時，Dg>50mm接管就必須加開孔補強。因此，必須在DG 100的管箱管和DG 150的管箱管上開孔進行加強。 在補強圈標準中規(guī)定了補強圈的尺寸，按標準尺寸Dg100的接管補強圈外直徑D0=210mm，Dg150的接管補強圈外直徑D0=300mm。補強圈的厚度可通過等面積補強法進行計算。此處不作具體計算，設定補強圈的厚度均為15mm。 2.14 法蘭 2.14.1 法蘭密封面的型式 管道法蘭和壓力容器連接中通常使用下面三種密封面型式。 a.平面型密封面 密封面是突出的光滑平面。 這個密封面構造簡單，加工容易，防腐蝕襯里容易完成。 但是，系緊螺栓后，墊圈的材料容易向兩側(cè)延伸，難以壓迫，因此，適用于必要的壓縮力不高，介質(zhì)沒有毒性的情況。 b.凹凸型密封面 它由凸面和凹面構成，將墊圈放置在凹面上，按壓墊圈時，凹面的外側(cè)有支撐，因此墊圈不會被推出。 c.榫槽型密封面 密封面由榫和溝構成，墊圈進入溝內(nèi)。 密封面上的這些規(guī)定不是非金屬軟墊圈，而是采用螺旋式金屬墊圈，容易得到良好的密封效果。 用于密封易燃易爆、易爆炸、有毒介質(zhì)的密封裝置。密封面凸出部分易損壞，搬運和拆卸時應注意。 選擇密封面時，綜合考慮介質(zhì)因素和拆卸因素，殼體法蘭采用凹凸型密封面，管箱接管法蘭采用平面型密封面，殼體接管法蘭采用凹凸型密封面。 2.14.2 殼體法蘭 殼體接管采用平頸對焊法蘭，由于管箱、殼體、浮頭箱直徑都不一樣，因此在選用法蘭時，不能只按標準選取。如圖6為殼體與浮頭箱的對接法蘭，DN=800mm的是按標準選取的，而DN=700的法蘭是按DN800法蘭螺栓孔的位來設計其尺寸的， 圖6 凹凸面密封法蘭 大致尺寸如下: DN=800mm的法蘭，D=960mm， D1=915mm，D2=876mm，D3=866mm，H=115mm， h=35mm，δ=48mm，δ1=16倒圓角R=12mm，螺柱孔徑r=26，配M24的雙頭螺柱。 DN=700mm的法蘭，D=960mm，D1=915mm，D4=863mm， H=115mm， h=35mm， δ=46mm，δ1=16，倒圓角R=12mm，螺柱孔徑r=26，配M24的雙頭螺柱。 其它的法蘭裝配尺寸見三維實體圖。 2.14.3 接管法蘭 管箱接管采用平頸對焊法蘭，如圖7示： 圖7 接管法蘭 設計尺寸按化工機械標準設計，其尺寸大致如下： 管箱接管：DN=100 　PN=2.5MPa時： N=132mm，K=190mm，D=235mm，H=66mm，H1=12mm，S=6mm，法蘭厚度C=24mm螺栓孔直徑L=22mm，配M20的螺栓8個 殼體接管：DN=150　 PN=1.6MPa時： N=132mm，K=190mm，D=285mm，H=61mm，H1=12mm，S=6.5mm，法蘭厚度C=22mm，螺栓孔直徑L=22mm，配M20的螺栓8個 另外，對焊時法蘭要在頸部開坡口。 2.15 支座 臥式設備通常采用兩個鞍座。這是因為，如果使用多個支柱，基礎的水平高度可能不一致，這會導致支柱反應分布不均，從而增加設備的局部應力，因此采用兩個支柱。 采用雙支架時，一個鞍座為固定支架，地腳螺栓為圓孔；另一個是活動支座，地腳螺栓為長圓孔，帶兩個螺母，將第一個螺母向后擰一圈，然后用第二個螺母鎖緊。這樣，隨著溫度的變化，設備可以自由擴展。如圖8示： 圖8 鞍式支座 24 3強度校核 3.1管箱封頭的校核 管箱封頭的校核如表2所示： 表2 管箱封頭校核 前端管箱封頭計算 計算條件 橢圓封頭簡圖 計算壓力 Pc 1.35 MPa 設計溫度 t 480.0 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 曲面高度 hi 100.00 mm 材料 16MnR(正火) (板材) 試驗溫度許用應力 [s] 43.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 40.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 形狀系數(shù) K = = 1.0000 計算厚度 d = = 6.77 mm 有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00 mm 最小厚度 dmin = 0.50 mm 名義厚度 dn = 8.00 mm 結(jié)論 滿足最小厚度要求 重量 14.44 Kg 壓 力 計 算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.16426 MPa 結(jié)論 合格 3.2管箱筒體的校核 管箱筒體的校核如表3所示： 表3 管箱筒體校核 管箱筒體計算 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.35 MPa 設計溫度 t 480.00 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 材料 16MnR(正火) ( 板材 ) 試驗溫度許用應力 [s] 43.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 40.00 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 95.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00 mm 名義厚度 dn = 9.00 mm 壓力試驗時應力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力下 圓筒的應力 sT = = 205.89 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.12845 MPa 設計溫度下計算應力 st = = 116.29 MPa [s]tf 120.02 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 合格 3.3殼程圓筒的校核 殼體圓筒的校核如表4所示： 表4 殼程圓筒校核 殼程圓筒計算 計算條件 筒體簡圖 計算壓力 Pc 1.25 MPa 設計溫度 t 95.00 ° C 內(nèi)徑 Di 600.00 mm 材料 16MnR(正火) ( 板材 ) 試驗溫度許用應力 [s] 170.00 MPa 設計溫度許用應力 [s]t 162.30 MPa 試驗溫度下屈服點 ss 345.00 MPa 鋼板負偏差 C1 0.00 mm 腐蝕裕量 C2 1.00 mm 焊接接頭系數(shù) f 0.85 厚度及重量計算 有效厚度 de =dn - C1- C2= 7.00 mm 名義厚度 dn = 8.00 mm 重量 153.26 Kg 壓力試驗時應力校核 壓力試驗類型 液壓試驗 試驗壓力值 PT = 1.25P = 1.9640 MPa 壓力試驗允許通過 的應力水平 [s]T [s]T￡ 0.90 ss = 310.50 MPa 試驗壓力下 圓筒的應力 sT = = 67.17 MPa 校核條件 sT￡ [s]T 校核結(jié)果 合格 壓力及應力計算 最大允許工作壓力 [Pw]= = 4.74538 MPa 設計溫度下計算應力 st = = 44.48 MPa [s]tf 137.96 MPa 校核條件 [s]tf ≥st 結(jié)論 合格 表5 管箱法蘭校核 管箱法蘭計算 設 計 條 件 簡 圖 設計壓力 p 4.000 MPa 計算壓力 pc 4.753 MPa 設計溫度 t 480.0 ° C 軸向外載荷 F 80000.0 N 外力矩 M 1430000.0 N.mm 殼 材料名稱 16MnR(正火) 體 許用應力 143.0 MPa 法 材料名稱 0Cr18Ni9 許用 [s]f 130.0 MPa 蘭 應力 [s]tf 86.5 MPa 材料名稱 40MnVB 螺 許用 [s]b 230.0 MPa 應力 [s]tb 155.5 MPa 栓 公稱直徑 d B 24.0 mm 螺栓根徑 d 1 16.0 mm 數(shù)量 n 20 個 Di 600.0 Do 680.0 墊 結(jié)構尺寸 Db 625.0 D外 654.0 D內(nèi) 598.0 δ0 8.0 片 mm Le 17.5 LA -3.5 h 50.0 δ1 25.0 材料類型 軟墊片 N 5.0 m 2.00 y 11.0 螺 栓 受 力 計 算 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa Wa= πbDG y = 38099.6 N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp Wp = Fp + F = 772798.5 N 所需螺栓總截面積 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 4685.9 mm2 實際使用螺栓總截面積 Ab Ab = = 4698.0 mm2 3.4管箱法蘭的校核 管箱法蘭的校核如表5所示： 3.5筒體法蘭的校核 筒體法蘭的校核如表6所示： 表6 筒體法蘭校核 筒體法蘭計算 設 計 條 件 簡 圖 設計壓力 p 4.000 MPa 計算壓力 pc 4.753 MPa 設計溫度 t 480.0 ° C 軸向外載荷 F 14211.0 N 外力矩 M 15400.0 N.mm 殼 材料名稱 16MnR(正火) 體 許用應力 140.0 MPa 法 材料名稱 16MnR(正火) 許用 [s]f 140.0 MPa 蘭 應力 [s]tf 86.5 MPa 材料名稱 40MnVB 螺 許用 [s]b 230.0 MPa 應力 [s]tb 155.5 MPa 栓 公稱直徑 d B 24.0 mm 螺栓根徑 d 1 16.0 mm 數(shù)量 n 24 個 Di 437.0 Do 515.0 墊 結(jié)構尺寸 Db 480.0 D外 446.0 D內(nèi) 436.0 δ0 8.0 mm Le 17.5 LA -3.5 h 40.0 δ1 25.0 片 材料類型 軟墊片 N 5.0 m 2.00 y 11.0 螺 栓 受 力 計 算 預緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wa Wa= πbDG y = 38099.6 N 操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷Wp Wp = Fp + F = 682716.0 N 所需螺栓總截面積 Am Am = max (Ap ,Aa ) = 3849.5 mm2 實際使用螺栓總截面積 Ab Ab = = 4698.0 mm2 筒體法蘭的校核 校核合格 3.6管箱螺栓間距的校核 管箱螺栓的間距校核如表7所示： 表7 管箱螺栓間距校核 管箱螺栓間距校核 實際間距 = 73.2 mm 最小間距 46.0 (查GB150-98表9-3) mm 最大間距 150.0 mm 形 狀 常 數(shù) 確 定 59.13 h/ho = 0.6 K = Do/DI = 1.124 3.2 由K查表9-5得 T=1.848 Z =6.144 Y =11.905 U=13.082 應力 性質(zhì) 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 軸向 應力 82.00 MPa =126.2 或 =353.0( 按整體法蘭設計的任意式法蘭, 取 ) 校核合格 徑向 應力 22.27 MPa = 84.2 校核合格 切向 應力 21.98 MPa = 84.2 校核合格 綜合 應力 = 52.13 MPa = 84.2 校核合格 法蘭校核結(jié)果 校核合格 3.7筒體螺栓間距的校核 筒體螺栓的間距校核如表8所示： 表8 筒體螺栓間距校核 筒體螺栓間距校核 實際間距 = 73.2 mm 最小間距 44.0 (查GB150-98表9-3) mm 最大間距 150.0 mm 形 狀 常 數(shù) 確 定 59.13 h/ho = 0.6 K = Do/DI = 1.124 3.2 由K查表9-5得 T=1.854 Z =6.324 Y =11.930 U=13.21 剪應力校核 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 輸入法蘭厚度δf = 45.0 mm時, 法蘭應力校核 應力 性質(zhì) 計 算 值 許 用 值 結(jié) 論 軸向 應力 109.76 MPa =215.1 或 =405.8( 按整體法蘭設計的任意式法蘭, 取 ) 校核合格 切向 應力 28.99 MPa = 142.5 校核合格 綜合 應力 = 70.05 MPa = 142.5 校核合格 法蘭校核結(jié)果 校核合格 3.8總體強度校核方法 將換熱器主要通過不同厚度和重量有多重目的,實驗壓力不同,換熱器組件分別計算,以便準確排除,通過計算結(jié)構尺寸、工藝計算、壁溫計算熱流,換熱器流體流動阻力計算、零件和內(nèi)部結(jié)算單位,完成換熱器的設計。熱交換器的安裝和接收。當U型管的兩邊固定在同一塊管板上時，熱交換器具有共同的熱交換加熱器效率，一根管子可以膨脹。如果溫度不同，船體和U型熱交換器的溫度不可能產(chǎn)生。使用計算機程序優(yōu)化熱交換器的結(jié)構尺寸。 在這里使用電子表格來計算數(shù)據(jù)的不同部分，以便更直觀地了解項目的每個部分是否符合要求，并根據(jù)熱交換器的單獨部分計算。這樣就不會有混亂，條理更加清晰。 4.加工工藝 4.1簡體 換熱器筒體的橢圓度要求更高，因為需要在筒體和折疊板之間有適當?shù)拈g隙。如果它太大就不能影響熱效應，如果它太小了，不可能安裝起來。因此，在下料和輾壓過程中，殼體必須小心安裝，下料須正確的。切割方法有機械切割方法，氧和等離子體等。機械切割由斜切割器、低效和非硬性材料組成:氧氣切割器可以切割更厚的碳鋼板，但不能切割不銹鋼和其他高熔化金屬;等離子體制動不僅能切割高血漿溫度的金屬或非金屬，而且還能有效地切割光滑光滑的切口，而且還能產(chǎn)生少量的熱活動;材料生產(chǎn)率沒有重大變化;人工制品的變形成本較低。 切割的鋼板必須在邊緣進行加工，這取決于鋼板的厚度和用于高壓和低壓工作的形狀。 需要注意的是，在簡形成一個圓后，圓簡立即被釋放，在縱向縫合線之后，羅爾的扳機被釋放。電焊接使用手動電弧焊接或掩埋電極，這需要在焊接過程中得到注意。電極應保持干燥，如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，應完全鑿去，再進行下一層的焊接，盡可能地使用平焊，減少應力和應變。所有縱向、環(huán)形縫合線(除汽化器外)都必須重新加工成水平平面，以使管束更容易組裝。接管不應該開在焊痕上,而應該與相連接的內(nèi)表面齊平。 4.2封頭和管箱 封頭和管狀盒子的厚度一般不小于殼體的最小厚度，而開口的吸收通常發(fā)生在整體上，而不是加強板塊。對角線橫膈膜必須兩邊都有長度，并且必須有相應的縫合線。由于焊接應力大，故管箱和封頭法蘭等焊接后，需進行消除應力的熱處理，最后進行機械加工。 在腐蝕性環(huán)境中，管狀盒子和墊圈可以用作合金的組合或腐蝕襯里，也可以作為焊接在法蘭內(nèi)和兩端。 在熱交換過程中，管道加工、管板加工、管道與管板連接是熱交換板的一個特征，特別是在管道與管連接過程中是熱交換過程中最重要的部分，這在全世界都很重要，并且進行了廣泛的研究。目前，隨著我國石油加工、化學和石油化學工業(yè)的發(fā)展，熱交換條件變得越來越嚴格。為了適應國內(nèi)外的熱浪和鞏固需要，已經(jīng)成功地研究了許多新技術，這些技術將在未來逐步用于生產(chǎn)。 4.3 管子 直管采用整根管子，不可以讓中間存在縫隙，U型管可以拼接，對接焊接必須經(jīng)過JB1147-80的檢查。連接的位置必須正確地選擇，以便盡可能接近彎曲，以避免滾動問題，因為連接是通過支架通過的。 U型管的最小彎曲半徑，現(xiàn)在可能是國內(nèi)外側(cè)管道大小的兩倍。彎曲必須通過管子直徑0.85倍的球的強度測試來測試它的周長。 4.4管板 管校毛坯可以是合金制的，焊制的和復合的。假設是鋼板材料，在加工前表面不平度時，但直經(jīng)小于1000毫米時小于2毫米;在相等或超過1000毫米的情況下，不應該超過3毫米，如果超過以上規(guī)定，應該先進行校平，然后進行精加工。 鍛造時的碳鋼材料,由于位移導致空穴形成裂縫和管焊后應檢查管子管板表面含碳量,以便含碳量達到0.19%。從任何點,或添加兩層狀板焊接在堆肥低,避免影響極化。 大型熱交換管管板可以由數(shù)塊組成，但連接接縫必須經(jīng)100%輻射或超聲波探傷，符合JB1147-80的要求。允許在縫合線上開洞。 4.5折流板 由于折流板一般很薄，鉆頭在鉆洞時的力會使管狀板的中心變形，這樣在鉆洞完全圓后，鉆頭就可以對齊、重疊、擠壓，然后一起鉆洞。請注意，一旦這些板塊被折疊起來，它們就不可能超過鉆井平臺的四分之五厚。為了防止鉆洞時產(chǎn)生彎曲，需要在鉆洞時在底部的墊子上放一塊木板來支撐鉆頭的推力。 為了確保順利通過管道，折流板上的管孔必須與管板中心在同一直線上。管板可以作為鉆模在折流板上進行鉆孔,即基于鉆孔布置管板,應該鉆出和管板孔距一致的定位孔,然后取下管板,換上適合折流板的鉆頭,通過引出的定位孔為基準進行加工。但請注意，用于防止誤差積累，故當做鉆模的管板必須是第一塊管板。 這種加工方法的優(yōu)點是: ①可以節(jié)省劃線所需要的工序。 ②每塊板之間的距離都是一樣的，以避免制造困難。 ③節(jié)省加工時間，提高生產(chǎn)率。 在鉆洞的基礎上，橫切桿使用外圓的孔和加工，然后根據(jù)需要的靈活折疊板的形式處理并標記為對稱方向，以確保未來的平滑裝配。 4.6膨脹節(jié) 膨脹區(qū)域補償了波形的可伸縮變形。波形橫斷面的形狀多種多樣，而它們使用的大多數(shù)形式都是U型，其次是Q型。 4.7管束的組裝 裝管是一項艱苦的體力勞動，許多工廠或人造管在不利的工作條件下效率低下。蘭州煉油廠有一個完整的管道、風車、管道、排水管、排水管和管道，以及一個機械化管道，用于機械化和機械化處理這一問題。 熱交換板的組裝要求兩個管道并行，允許誤差不超過1毫米;兩個管之間長度的誤差為2mm土;管子應該是垂直的，管子拉桿應牢固固定;小心放置遙測管的兩端;當管子穿過管子時，管子的頭不能用鐵棒直接擊打。 4.8管子與管板的連接 管子與管板之間的連接是管式熱交換的主要問題，這已經(jīng)成為所有國家普遍存在的問題。這不僅需要大量的工作時間，而且更重要的是，連接的地方經(jīng)常在工作中崩潰。因此，開發(fā)高效、高質(zhì)量的通信技術已成為熱交換生產(chǎn)的主要研究主題。 連接方法根據(jù)不同的換熱器，不同的處理條件，可分為膨脹、焊接和焊接。 所有的熱交換企業(yè)都有足夠的經(jīng)驗來承受更高的壓力，特別適用于材料可焊性差及制造廠的焊接工作量過大的情況。但脹接存在應力腐蝕和疲勞問題，并在使用溫度較高時，由于材料的蠕變使脹接殘余應力松地會引起接頭脫落或松動而造成泄調(diào)。所以膨脹通常局限于溫度，一般適用于溫度不超過300~ 350°C。 4.9焊后熱處理 根據(jù)不同材料、厚度、焊接方法和使用條件等標準，熱處理通常應在下列情況下進行: (1)管箱必須有熱處理，在精加工之前中和電壓，否則，在加工過程中，管道中的電壓會以影響處理精度的方式重新分配。 (2)產(chǎn)生破壞概率腐蝕的結(jié)構。 (3)鋼、鍍鉻鋼的屈服強度500MPa以上，需要立即處理退火，以消除焊接電壓、避免裂紋和改進化合物的機械性能。 4.10設備組裝 重要的是，在組裝封頭管箱和簡體時，必須注意法蘭的螺栓的緊固程序，特別是在高壓力的大直徑熱交換器上，應均勻地沿直徑方向相對錯開上緊。否則，很難保證在水壓試驗時達到嚴密不漏。 5.換熱器的安全防腐 5.1 換熱器的腐蝕 換熱器的腐蝕主要是換熱器中的金屬被腐蝕。 金屬腐蝕是指金屬受到環(huán)境的化學或電化學反應的影響。 金屬腐蝕造成的危險是驚人的。根據(jù)相關資料，每年有三分之一的金屬因氧氣而腐爛，即使經(jīng)過防腐處理，其中十分之一的金屬也會被腐蝕。美國標準局進行了一項研究，每年損失70億美元相當于560億人民幣。在我們國家沒有做過這方面的統(tǒng)計，但從每年的鍋爐腐蝕報廢情況來看是相當驚人的。 5.2換熱器的防腐 5.2.1 BF 30a防腐阻垢劑 BF 30a防腐阻垢劑:該藥由北京化工學院研制，它是根據(jù)緩蝕作用原理，利用閾值效應規(guī)律，把具有多種功能的防腐阻垢劑配制成為BF 30a藥劑，投放到水系統(tǒng)中，擴散到達并吸附于金屬表面，從而連續(xù)地起到防止鍋爐及換熱器在運行時腐蝕結(jié)垢和停用時腐蝕的作用。 1.藥劑的使用方法 (1)對于用原水的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐系統(tǒng) a. 隨鍋爐上水按2kg/m3量基礎投藥; b.運行期間隨補水按1kg/ m3量補充投藥; c.停用時按Ikg/ m3 量投藥、封閉鍋爐。 (2)對于用軟化水的蒸汽鍋爐和熱水鍋爐系統(tǒng) a.隨鍋爐上水按1.5kg/ m3量基礎投藥; b. 運行期間隨補水按0.8kg/m3量補充投藥: c.停用時按1kg/ m3量投藥、封閉鍋爐。 2.藥劑的優(yōu)點 (1)高效:對運行鍋爐系統(tǒng)的緩蝕率、阻垢率達99%。 (2)方便:只是按工藝要求投藥。 (3)連續(xù):不管運行或停用都能長期做到防腐阻垢。 (4)全面:不僅對鍋爐的運行和停用起到防腐，而且對整個熱網(wǎng)系統(tǒng)提供全面的防腐阻垢。 (5)廉價:不需要昂貴的除氧器及軟化水器的投資費用，在停用或運行時均不需要更換藥品從而可節(jié)約運行費用。 5.2.2海綿鐵除氧防腐 從給水中除去溶解氧，以往常用的方法有熱力除氧法、真空除氧法、解吸除氧法、氧化還原型樹脂法等。海綿鐵除氧法于1994年由武漢水利電力大學王蒙聚教授研究，航空設計院姚榮佑高工設計及試驗。該產(chǎn)品具有低投入、易控制、易維修、除氧效果好、運行成本低等優(yōu)點，是很有發(fā)展前途的新型除氧設備。 5.3換熱器的清洗 5.3.1機械清洗法 機械凈化方法通常采用噴水清洗。這項方法適用于碳化物污垢層，化學凈化無法去除，其好處是設備磨損程度較低。缺點是需要拆除設備。 噴水清洗，水壓力的選擇是重要的，通常用于50到70 mpa的壓力。壓力太低，凈化效率太低，壓力過大可能會損壞設備。因此，初步壓力試驗必須在噴水清洗前進行。 噴管的清潔不僅可以從內(nèi)部，而且可以從管道的外部和簡體內(nèi)部進行。更令人滿意的結(jié)果可以用來清潔塑料鰭、熱交換器或爐子。水中氯氣的含量必須由不銹鋼熱交換加熱器的凈化控制。 5.3.2栲膠與堿劑清洗 1.凈化原理 栲膠與堿劑清洗是用橡膠強力提取物和堿性清潔劑一起進行作用。它的機制有三個功能: (1)疏松:由于乙烯的主要成分是堿性介質(zhì)中的單寧，很容易溶解在無營養(yǎng)酸中，它對泥漿中的金屬離子產(chǎn)生復雜影響，溶解二氧化碳，使它們更容易發(fā)酵。 (2)滲透: 橡膠中單寧甚至可以穿透粘土層和設備基質(zhì)中的金屬之間，在金屬表面形成單寧被鐵保護膜，破壞粘土和金屬之間的結(jié)合強度，使其更容易剝離。 (3)改變晶型結(jié)構:橡膠提取物和硫酸鹽納基發(fā)生作用，硫酸鹽用硬殼制成晶體，棒狀結(jié)構變成更松軟的網(wǎng)狀結(jié)構。 2.除垢方法 (1)栲膠用量:根據(jù)結(jié)垢厚度計算栲膠用量，一般每噸水加栲膠5 ~ 10kg。 (2)調(diào)整pH值: pH用氫氧化鈉或磷酸三鈉校正pH，除垢劑的 pH> 7，其劑量根據(jù)垢厚來確定。在垢厚2至5毫米之間，磷酸三鈉為每噸水3至5kg，或者每噸水2至4kg氫氧化鈉。堿劑的加入不僅有利于栲膠的除垢效果，，而且有利于硫酸鹽水垢的去除。 5.3.3鹽酸清洗 鹽酸是一種廉價易得的商品，所以都用鹽酸來去除污垢，它的除垢機理有以下四種作用: 1.溶解作用 鹽酸在碳酸鹽土壤中很容易反應，產(chǎn)生一種容易溶解的氯化物，溶解了這種污垢。 2.剝離作用 鹽酸可以溶解金屬表面的氧化物，從而破壞金屬與粘土的結(jié)合，使其很容易從附在金屬氧化劑上的鹽酸中分離出來。 3.氣掀作用 鹽酸與碳酸鹽水垢作用所產(chǎn)生的大量二氧化碳，在逸出過程中，對于難溶解或溶解速度較慢的垢層，具有一定的氣掀動力，使之從管壁上脫落下來，水垢中碳酸鹽成分愈多，在酸洗時這種氣掀作用就愈強烈。 4.疏松作用 對于含有硅酸鹽和硫酸鹽的混合水垢，雖然鹽酸反應無法溶解，但與鹽酸混合的氧化碳酸鹽和鐵在鹽酸溶液后溶解，殘留的水垢就會變得疏松，在流動酸洗情況下，它們很容易被沖刷下來。 5.4換熱器的防垢處理 換熱器運行一定時間以后，熱交換器就會將一層白水粘附在熱交換墻的內(nèi)部和外部。水垢形成的主要原因是水中含有鈣和鹽，具有共同的特性，其溶解度隨著水溫的升高而下降，變成了難以溶解的鹽。這種鹽的存在對熱交換產(chǎn)生了以下影響: 1. 水垢的熱傳導率很差，比鋼低30- 50倍，泥漿的存在會在加熱表面產(chǎn)生熱傳導環(huán)，導致加熱表面無法達到預期的溫度下降。根據(jù)相關信息，試驗產(chǎn)生Imm厚度的水垢，換熱器會降低10%的效率。 2. 附著在熱線表面的水垢使得清理變得困難，增加了維修成本，不僅是勞動力，還有預防性加熱損傷，降低了熱交換壽命。 3. 水垢產(chǎn)生后，減少了外層和內(nèi)層熱傳熱，增加了熱表面內(nèi)外循環(huán)阻力，而強的循環(huán)截面非常小，甚至完全堵塞，導致熱交換器無法正常工作。 加藥軟化處理對于處理水垢具有簡單、高效、節(jié)約和缺乏專門生產(chǎn)水的設備等特點，且更溫和。加藥軟化處理是一種非常實用的方法。根據(jù)添加藥物的方法，目前有兩種方法。根據(jù)加藥的方法不同，分校正制處理和防垢劑處理兩種方法。 1.常用的校正劑 常用的校正劑有NaoH 、NaHCO3,等。水中的穩(wěn)定和修正劑對水垢的形成做出反應，而不會產(chǎn)生永久的固體。海水中的校正器可以作為水中恒定強度的校正功能。 2.常用的防垢劑 廣泛的防垢劑包括藥物修正劑和三氯丙磷酸鈉，一種由藥物混合物等物質(zhì)組成的強力提取物。在與水分離后，它們與離子源和鹽鹽分離，產(chǎn)生離子能量和水中的固體，形成光滑的表面，不含污垢。在循環(huán)系統(tǒng)中通常保持適度的數(shù)量，如水泥等防腐劑可以作為防止水垢產(chǎn)生的工具，即使水質(zhì)發(fā)生變化(水硬度上升)，拷膠等防垢劑仍可起到防止生成水垢的作用。 當給水的永硬較大，暫硬較小，且其計算硬度不超過3- 4mol/L一般采用校正劑進行循環(huán)水系統(tǒng)處理。 30 參考文獻 [1] 秦叔經(jīng)，葉文邦.化工設備設計全書-換熱器［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2003.15～16 [2] 工程材料實用手冊編輯委員會.工程材料實用手冊［Ｍ］.北京：中國標準出版社，2002.13～14 [3] 朱有庭.化工設備設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.28～30 [4] 錢頌文.換熱器設計手冊［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.24～26 [5] 朱振華，邵澤波.過程裝備制造技術［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.33～35 [6] 華南理工大學化工原理教研組.化工過程及設備設計［Ｍ］.廣州：華南理工 大學出版社，1986.72～75 [7] 趙惠清，蔡紀寧.化工制圖 ［Ｍ］.北京：化學工業(yè)出版社，2018.45～46 [8] 譚蔚.化工設備設計基礎［Ｍ］.天津：天津大學出版社，2017.64～66 [9] 顧芳珍,陳國桓.化工設備設計基礎[M].天津:天津大學出版社,1997.28～30 [10]黃振仁,魏新利.過程裝備成套技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.55～60 [11]黃振仁,魏新利.過程裝備成套技術設計指南[M].北京:化學工業(yè)出版社，2003.44～46 [12] 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程裝備設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2018.52～54 [13] 鄒廣華,劉強.過程裝備制造與檢測[M].北京:化學工業(yè)出版社,2018.37～39 [14]N．Jing, L．Zhen,B．P．Xu 《Study on control limits of secondary stress 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